竖井裂隙型注浆帷幕开挖卸荷相似模拟试验系统和方法

摘要

本发明公开竖井裂隙型注浆帷幕开挖卸荷相似模拟试验系统和方法，包括预制裂隙厚壁圆筒形竖井围岩样品的浇筑；竖井裂隙型注浆帷幕试样的制作；竖井裂隙型注浆帷幕初始三维地应力加载还原；竖井裂隙型注浆帷幕开挖卸荷模拟；竖井裂隙型注浆帷幕开挖卸荷效应监测。本发明所提供的制样方法，可制得不同裂隙产状，不同浆液类型的竖井裂隙型注浆帷幕试样。所提供卸荷试验方法可开展不同地应力等级、不同卸荷速率下竖井注浆帷幕的开挖卸荷模拟，再现竖井开挖卸荷下，裂隙型注浆帷幕变形破坏规律和损伤劣化特征。适用于矿井建设中竖井注浆帷幕堵水有效性及开挖卸荷效应的试验研究。可实现高地应力、强卸荷幅度、真实开挖卸荷应力路径的模拟试验。

说明书

技术领域

本发明涉及竖井注浆帷幕技术领域。具体地说是竖井裂隙型注浆帷幕开挖卸荷相似模拟试验系统和方法。

背景技术

竖井注浆帷幕是竖井基岩段含水层的重要防治水结构。随着竖井井筒的开掘，开挖轮廓面原岩应力全部或绝大部分卸除，围岩由三维应力状态转变为二维应力状态。开挖卸荷将导致围岩应力重分布，引起井筒注浆帷幕变形和微裂纹萌生扩展，造成注浆帷幕损伤劣化，堵水效果下降。近年来发生了多起注浆帷幕劣化引发的井筒涌水量增大甚至突水淹井事故，造成巨大的经济损失。因此开展竖井裂隙型注浆帷幕制样及开挖卸荷试验十分重要。目前，常规试样制样方法能够人工预制围岩裂隙，但尚没有考虑裂隙中充填物的影响，因此不能模拟浆液充填的裂隙型注浆帷幕。同时，现有卸荷试验方法尚存在一些不足，单轴试验一般采用循环加卸载试验方法，难以考虑围压的影响；三轴试验能够考虑围压作用，通常采用卸载最小主应力的试验方法，难以满足开挖卸荷真实卸荷应力路径的模拟需要。

发明内容

为此，本发明所要解决的技术问题在于提供一种实现高地应力、强卸荷幅度、真实开挖卸荷应力路径的竖井裂隙型注浆帷幕开挖卸荷相似模拟试验系统和方法。

为解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：

竖井裂隙型注浆帷幕开挖卸荷相似模拟试验系统，包括刚性加载腔侧壁、底座、轴压活塞、上压板、下压板、外压油泵和内压油泵，所述底座通过承力卡环与所述刚性加载腔侧壁的下部连接；所述下压板安装在所述底座的上表面，所述轴压活塞安装在所述刚性加载腔侧壁的顶部；所述底座、所述刚性加载腔侧壁和所述轴压活塞围成的空间为高压加载腔；所述轴压活塞的动力输出端与所述上压板固定连接，且所述上压板位于所述下压板的正上方；所述上压板与所述下压板之间放置厚壁圆筒竖井裂隙型注浆帷幕试样；厚壁圆筒竖井裂隙型注浆帷幕试样采用橡胶膜包裹；

所述外压油泵通过连通管穿过所述底座与厚壁圆筒竖井裂隙型注浆帷幕试样的外壁的所述高压加载腔流体导通；所述内压油泵通过连通管穿过所述底座、并自所述高压加载腔内穿过所述上压板侧壁、自所述上压板的下底壁中心处穿出与所述厚壁圆筒竖井裂隙型注浆帷幕试样的内腔流体导通；在所述下压板和所述底座中心位置设有内压出油管，在所述刚性加载腔侧壁上部设有外压出油管。

上述竖井裂隙型注浆帷幕开挖卸荷相似模拟试验系统，所述外压油泵和所述内压油泵通过电磁阀控制开关。

竖井裂隙型注浆帷幕开挖卸荷相似模拟试验方法，包括如下步骤：

(A)预制裂隙厚壁圆筒形竖井围岩样品的浇筑；

(B)竖井裂隙型注浆帷幕试样的制作；

(C)竖井裂隙型注浆帷幕初始三维地应力加载还原；

(D)竖井裂隙型注浆帷幕开挖卸荷模拟试验；

(E)竖井裂隙型注浆帷幕开挖卸荷效应监测。

上述竖井裂隙型注浆帷幕开挖卸荷相似模拟试验方法，在步骤(A)中，采用聚乙烯塑料桶和PVC管制作厚壁圆筒形竖井围岩样品，包括如下步骤：

(A-1)聚乙烯塑料桶(1)套在PVC管外，且聚乙烯塑料桶与PVC管同轴，在需要安置设石蜡薄片和应力-应变传感器的位置的聚乙烯塑料桶的外壁开槽；

(A-2)向聚乙烯塑料桶和PVC管所围成的空间内分层浇筑水泥砂浆，在预定位置安设石蜡薄片和应力-应变传感器，48h后脱模，得到厚壁圆筒形竖井围岩试样；

(A-3)将制得厚壁圆筒形竖井围岩试样标准养护28d后，采用线切割除去预埋的石蜡薄片，形人工裂隙，随后采用高温热气喷枪清理人工裂隙，排除残留石蜡，制得厚壁圆筒形竖井预制裂隙围岩试样。

上述竖井裂隙型注浆帷幕开挖卸荷相似模拟试验方法，聚乙烯塑料桶的内径为Φ200mm，壁厚为6mm，高为300mm，聚乙烯塑料桶外壁开槽组数为4，槽宽为30～60mm，高为0.5～5mm；PVC管的外径为Φ30～50mm，壁厚为2.0mm，长为320mm；

水泥砂浆(3)中水泥为P.O 42.5硅酸盐水泥，砂为300目粉砂，配合比1:6.9～1:4.03；石蜡薄片水平平铺或倾斜铺设，石蜡薄片为精炼石蜡制作，厚度为0.5～5mm，熔点为52～70℃；应力-应变传感器沿石蜡薄片的沿轴向、径向和切向设置。

上述竖井裂隙型注浆帷幕开挖卸荷相似模拟试验方法，在步骤(B)中，包括如下步骤：

(B-1)：将步骤(A)得到的厚壁圆筒形竖井预制裂隙围岩试样放入注浆器中，进行高压注浆，使浆液将预制裂隙的空隙充填饱满，注浆压力1.0～10.0MPa；浆液为单液水泥浆、黏土水泥浆或化学浆；

(B-2)注浆结束后待浆液初凝完成，取出试样，并置于标准条件下养护；试样养护28d后，采用车床加工试样内外壁面，打磨试样上下端面并抛光，保证平整度，获得厚壁圆筒竖井裂隙型注浆帷幕试样。

上述竖井裂隙型注浆帷幕开挖卸荷相似模拟试验方法，所述黏土水泥浆采用黏土原浆、水泥和结构添加剂配制；黏土原浆比重1.10～1.30，1L黏土原浆添加水泥100～300g、添加结构添加剂10～30mL；

所述单液水泥浆的水灰比0.75～1.25；可添加复合添加剂提高悬浮稳定性，复合添加剂采用丙烯酰胺，用量为水泥质量的0.3％-0.5％；

所述化学浆采用水溶性聚氨酯浆液，密度为1.0～1.2kg/L，黏度0.2～0.3Pa·s；

上述竖井裂隙型注浆帷幕开挖卸荷相似模拟试验方法，在步骤(C)中，包括如下步骤：

(C-1)先用橡胶膜(26)包裹厚壁圆筒竖井裂隙型注浆帷幕试样(6)，然后将厚壁圆筒竖井裂隙型注浆帷幕试样安装到上述竖井裂隙型注浆帷幕开挖卸荷相似模拟试验系统的高压加载腔内的上压板和下压板之间；

(C-2)依据工程所在地地应力测试结果或按埋深确定模型初始地应力，采用轴压活塞通过上压板形成对厚壁圆筒竖井裂隙型注浆帷幕试样的轴压，模拟竖直应力；轴压加载速率0.01～0.05MPa/s，轴压最大可加载至60MPa；

采用外压油泵形成对厚壁圆筒竖井裂隙型注浆帷幕试样的围压，采用内压油泵形成对厚壁圆筒竖井裂隙型注浆帷幕试样的内腔的内压，通过围压和内压模拟水平应力；厚壁圆筒竖井裂隙型注浆帷幕试样的孔内的内压和外部的围压加载采用线性协调加载方式，加载速率0.01～0.05MPa/s，围压最大可加载至50MPa；

(C-3)加载完成后，等待10min，待厚壁圆筒竖井裂隙型注浆帷幕试样变形趋于稳定。

上述竖井裂隙型注浆帷幕开挖卸荷相似模拟试验方法，在步骤(D)中，包括如下步骤：

(D-1)维持厚壁圆筒竖井裂隙型注浆帷幕试样的轴压和围压不变，分次或一次卸除厚壁圆筒竖井裂隙型注浆帷幕试样内腔的内压，分别模拟注浆帷幕缓步和快速开挖卸荷下的动态响应过程；

(D-2)厚壁圆筒竖井裂隙型注浆帷幕试样的内腔卸荷完成后，需等待厚壁圆筒竖井裂隙型注浆帷幕试样变形稳定后方可停止试验。

上述竖井裂隙型注浆帷幕开挖卸荷相似模拟试验方法，在步骤(E)中，

(E-1)通过应力-应变监测分析厚壁圆筒竖井裂隙型注浆帷幕试样在开挖卸荷影响下轴向、径向切线的变形规律，从而得到开挖卸荷模拟试验过程中变形特征；

(E-2)注浆帷幕试样卸荷过程，采用声发射监测系统对厚壁圆筒竖井裂隙型注浆帷幕试样声发射事件进行全程监测，跟踪定位开挖卸荷过程中厚壁圆筒竖井裂隙型注浆帷幕试样微裂隙萌生与扩展情况，分析厚壁圆筒竖井裂隙型注浆帷幕试样的开挖卸荷破坏特征；

(E-3)采用CT扫描分析厚壁圆筒竖井裂隙型注浆帷幕试样加卸载前后，厚壁圆筒竖井裂隙型注浆帷幕试样内部微裂纹发育情况，通过对比分析，定量研究开挖卸荷对竖井注浆帷幕的变形破坏特征和损伤劣化范围的影响。

本发明的技术方案取得了如下有益的技术效果：

本发明采用预制裂隙的竖井围岩试样，高压注浆制得竖井裂隙型注浆帷幕试样，然后进行试样内腔压力卸载模拟开挖卸荷，研究注浆帷幕在开挖卸荷过程中的变形破坏特征，微裂纹萌生与扩展规律，获得竖井裂隙型注浆帷幕开挖卸荷劣化范围，适用于矿井建设中竖井注浆帷幕堵水有效性及开挖卸荷效应的试验研究。可实现高地应力、强卸荷幅度、真实开挖卸荷应力路径的模拟试验。

本发明所提试验方案采用特制模具浇筑得到竖井预制裂隙围岩样品，再通过高压注浆充填样品预制裂隙，获得厚壁圆筒形竖井裂隙型注浆帷幕试样。然后采用自主三轴围岩加卸载试验系统，开展裂隙型注浆帷幕开挖卸荷试验，模拟注浆帷幕开挖卸荷效应，得到注浆帷幕变形破坏规律和劣化范围。

本发明所提注浆帷幕制样及开挖卸荷试验方法采用人工预制裂隙和充填技术获得厚壁圆筒型试样。可以模拟不同开度、不同倾角的裂隙类型。卸荷试验采用三轴围压加卸载系统，可精准控制轴压与围压，内压卸除可实现瞬态卸荷和分步卸荷。可开展不同地应力等级、不同卸荷速率下竖井注浆帷幕的开挖卸荷模拟，再现竖井开挖卸荷下，裂隙型注浆帷幕变形破坏规律和损伤劣化特征。通过配套监测系统，试验可获得浆帷幕开挖卸荷响应，得到注浆帷幕变形破坏规律和劣化范围。为深部开采竖井防治水技术提供基础试验数据。所提注浆帷幕制样及开挖卸荷试验方法实施简便，试验数据自动分析采集，具有重要的应用价值和推广价值。

本发明所提竖井裂隙型注浆帷幕试样制作及其开挖卸荷模拟试验方法，通过人工浇筑厚壁圆筒形预制裂隙竖井围岩样品，采用高压注浆充填试样预制裂隙，制成厚壁圆筒形竖井裂隙型注浆帷幕试样。借助三轴加卸载系统对所制得的竖井裂隙型注浆帷幕试样进行开挖卸荷模拟试验。试样加载还原初始地应力后，采用试样内腔油压卸压模拟井筒开挖卸荷。竖井裂隙型注浆帷幕试样加卸载前后，采用CT扫描获得试样内部微裂纹与损伤分布规律。加卸荷模拟试验过程中，采用声发射-应力应变监测技术对试样开挖卸荷效应进行全程监测。所提制样方法，可制得不同裂隙产状，不同浆液类型的竖井裂隙型注浆帷幕试样。所提供卸荷试验方法可开展不同地应力等级、不同卸荷速率下竖井注浆帷幕的开挖卸荷模拟，再现竖井开挖卸荷下，裂隙型注浆帷幕变形破坏规律和损伤劣化特征。

附图说明

图1厚壁圆筒型竖井裂隙围岩模具示意图；

图2厚壁圆筒型竖井裂隙围岩模具组合示意图；

图3厚壁圆筒型竖井裂隙围岩浇筑示意图；

图4厚壁圆筒型竖井裂隙试样示意图；

图5厚壁圆筒形竖井预制裂隙围岩试样注浆充填示意图；

图6厚壁圆筒型竖井注浆帷幕加卸载示意图；

图7厚壁圆筒型竖井注浆帷幕加卸载俯视示意图；

图8竖井裂隙型注浆帷幕开挖卸荷相似模拟试验系统示意图。

图中附图标记表示为：1-塑料桶；2-PVC管；3-水泥砂浆；4-石蜡薄片；5-厚壁圆筒形竖井预制裂隙围岩试样；6-厚壁圆筒竖井裂隙型注浆帷幕试样；7-试样内腔；8-围压；9-轴压；10-内压；11-压力表；12-注浆器；13-注浆泵；14-浆液池；15-高压加载腔；16-上压板；17-下压板；18-底座；19-轴压活塞；20-连通管；21-刚性加载腔侧壁；22-承力卡环；23-电磁阀；24-外压油泵；25-内压油泵；26-橡胶模；27-内压出油管；28-外压出油管。

具体实施方式

实施例1、竖井裂隙型注浆帷幕开挖卸荷相似模拟试验系统

如图8所示的竖井裂隙型注浆帷幕开挖卸荷相似模拟试验系统，包括刚性加载腔侧壁21、底座18、轴压活塞19、上压板16、下压板17、外压油泵24和内压油泵25，所述底座18通过承力卡环22与所述刚性加载腔侧壁21的下部连接；所述下压板17安装在所述底座18的上表面，所述轴压活塞19安装在所述刚性加载腔侧壁21的顶部；所述底座18、所述刚性加载腔侧壁21和所述轴压活塞19围成的空间为高压加载腔15；所述轴压活塞19的动力输出端与所述上压板16固定连接，且所述上压板16位于所述下压板17的正上方；所述上压板16与所述下压板17之间放置厚壁圆筒竖井裂隙型注浆帷幕试样6；厚壁圆筒竖井裂隙型注浆帷幕试样6采用橡胶膜26包裹，避免试样与加压油直接接触。

所述外压油泵24通过连通管20穿过所述底座18与厚壁圆筒竖井裂隙型注浆帷幕试样6的外壁的所述高压加载腔15流体导通，所述内压油泵25通过连通管20穿过所述底座18、并自所述高压加载腔15内穿过所述上压板16侧壁、自所述上压板16的下底壁中心处穿出与所述厚壁圆筒竖井裂隙型注浆帷幕试样6的内腔流体导通；；在所述下压板17和所述底座18中心位置设有内压出油管26，在所述刚性加载腔侧壁21上部设有外压出油管27。所述外压油泵24和所述内压油泵25通过电磁阀23控制开关。所述外压油泵24和所述内压油泵25为两套独立系统的油路。

通过上压板16与下压板17将厚壁圆筒竖井裂隙型注浆帷幕试样6固定，然后通过轴压活塞19对厚壁圆筒竖井裂隙型注浆帷幕试样6施加轴压，通过外压油泵24对厚壁圆筒竖井裂隙型注浆帷幕试样6施加围压，通过内压油泵25对厚壁圆筒竖井裂隙型注浆帷幕试样6施加内压，并且通过电磁阀23调整围压、内压的大小，从而可以模拟厚壁圆筒竖井裂隙型注浆帷幕试样开挖卸荷过程。

实施例2、竖井裂隙型注浆帷幕开挖卸荷相似模拟试验方法

(A)预制裂隙厚壁圆筒形竖井围岩样品的浇筑；

如图1所示，采用聚乙烯塑料桶1和PVC管2制作厚壁圆筒形竖井围岩样品，包括如下步骤：

(A-1)如图2所示，聚乙烯塑料桶1套在PVC管2外，且聚乙烯塑料桶1与PVC管2同轴；聚乙烯塑料桶壁厚6～8mm，内径Φ200～240mm，高280～320mm。PVC管壁厚2.0mm，外径Φ30～50mm，长300～350mm。为了便于设置预埋石蜡薄片和监测传感器，在需要安置设石蜡薄片4和应力-应变传感器的位置的聚乙烯塑料桶1的外壁开槽；开槽大小为：宽30～60mm，厚0.5～5mm。

(A-2)如图3所示，向聚乙烯塑料桶1和PVC管2所围成的空间内分层浇筑水泥砂浆3，在预定位置安设石蜡薄片4和应力-应变传感器，48h后脱模，得到厚壁圆筒形竖井围岩试样；

浇筑试样的材料为水泥砂浆，水泥砂浆3中水泥为P.O 42.5硅酸盐水泥，砂为300目粉砂，配合比1:6.9～1:4.03。试样采用分层浇筑方式，浇筑至预埋石蜡薄片和监测传感器位置时，停止浇筑，埋设石蜡薄片和电阻应变片。石蜡薄片厚0.5～5mm，可以水平铺置，也可以设置为一定倾角。电阻应变片安设在石蜡薄片附近，沿轴向、径向和切向设置。

A-3如图4所示，浇筑完毕48h后脱模，将制得厚壁圆筒形竖井围岩试样放入恒温养护箱进行标准养护28d后，采用线切割除去预埋的石蜡薄片4，形人工裂隙，随后采用高温热气喷枪清理人工裂隙，排除残留石蜡，制得厚壁圆筒形竖井预制裂隙围岩试样5。

(B)竖井裂隙型注浆帷幕试样的制作；

(B-1)如图7所示，将步骤A得到的厚壁圆筒形竖井预制裂隙围岩试样5放入注浆器12中，通过注浆泵13从浆液池14中泵出浆液对注浆器12中的厚壁圆筒形竖井预制裂隙围岩试样5进行高压注浆，使浆液将预制裂隙的空隙充填饱满，通过压力表11检测注浆压力，注浆压力1.0～10.0MPa；注浆浆液为单液水泥浆、黏土水泥浆或化学浆；

(B-2)注浆结束后待浆液初凝完成，取出试样，并置于标准条件下养护。试样养护28d后，采用车床加工试样内外壁面，内径Φ40mm，外径Φ200mm，高270mm；打磨试样上下端面并抛光，保证平整度，获得厚壁圆筒竖井裂隙型注浆帷幕试样6。

所述黏土水泥浆采用黏土原浆、水泥和结构添加剂配制；黏土原浆比重1.10～1.30，1L黏土原浆添加水泥100～300g、添加结构添加剂10～30mL；

所述单液水泥浆的水灰比0.75～1.25；可添加复合添加剂提高悬浮稳定性，复合添加剂采用丙烯酰胺，用量为水泥质量的0.3％-0.5％；

所述化学浆采用水溶性聚氨酯浆液，密度为1.0～1.2kg/L，黏度0.2～0.3Pa·s。

(C)竖井裂隙型注浆帷幕初始三维地应力加载还原；

如图5和图6所示，

(C-1)先用橡胶膜(26)包裹厚壁圆筒竖井裂隙型注浆帷幕试样(6)，然后将厚壁圆筒竖井裂隙型注浆帷幕试样6安装到实施例1所述的竖井裂隙型注浆帷幕开挖卸荷相似模拟试验系统的高压加载腔15内的上压板16和下压板17之间；

(C-2)依据工程所在地地应力测试结果或按埋深确定模型初始地应力，竖井裂隙型注浆帷幕初始地应力采用三轴加压方式还原，轴压模拟竖直应力，围压模拟水平主应力，可模拟还原竖井注浆帷幕初始地应力。

先采用轴压活塞19通过上压板16形成对厚壁圆筒竖井裂隙型注浆帷幕试样6的轴压，模拟竖直应力；轴压先加载，保证系统内外腔密封良好，轴压加载速率0.01-0.05MPa/s，轴压最大可加载至60MPa；

再采用外压油泵24形成对厚壁圆筒竖井裂隙型注浆帷幕试样6的围压，采用内压油泵25形成对厚壁圆筒竖井裂隙型注浆帷幕试样6的内腔7的内压，通过围压和内压模拟水平最小主应力；厚壁圆筒竖井裂隙型注浆帷幕试样6的孔内的内压和外部的围压加载采用线性协调加载方式，加载速率0.01-0.05MPa/s，围压最大可加载至50MPa；

(C-3)加载完成后，等待10min，待厚壁圆筒竖井裂隙型注浆帷幕试样6变形趋于稳定。

(D)竖井裂隙型注浆帷幕开挖卸荷模拟试验；

(D-1)维持厚壁圆筒竖井裂隙型注浆帷幕试样6的轴压和围压不变，分次或一次卸除厚壁圆筒竖井裂隙型注浆帷幕试样6内腔的内压，分别模拟注浆帷幕缓步卸荷和快速开挖卸荷下的动态响应过程；

内腔油压可瞬时卸除，也可以分次逐步卸除，分别模拟注浆帷幕快速卸荷和缓步卸荷下的动态响应。

(D-2)厚壁圆筒竖井裂隙型注浆帷幕试样6的内腔卸荷完成后，需等待厚壁圆筒竖井裂隙型注浆帷幕试样6变形稳定后方可停止试验。厚壁圆筒竖井裂隙型注浆帷幕试样6卸荷至预定值，维持轴压和围压5min～10min后停止试验。缓步卸荷轴压及围压，排出高压加载腔15内存油，取出加卸载试验后的试样，清理试样残油。

(E)竖井裂隙型注浆帷幕开挖卸荷效应监测。

(E-1)通过应力-应变监测分析厚壁圆筒竖井裂隙型注浆帷幕试样6在开挖卸荷影响下轴向、径向切线的变形规律，从而得到开挖卸荷模拟试验过程中变形特征；

(E-2)注浆帷幕试样卸荷过程，采用声发射监测系统对厚壁圆筒竖井裂隙型注浆帷幕试样6声发射事件进行全程监测，跟踪定位开挖卸荷过程中厚壁圆筒竖井裂隙型注浆帷幕试样6微裂隙萌生与扩展情况，分析厚壁圆筒竖井裂隙型注浆帷幕试样6的开挖卸荷破坏特征；

(E-3)采用CT扫描分析厚壁圆筒竖井裂隙型注浆帷幕试样6加卸载前后，厚壁圆筒竖井裂隙型注浆帷幕试样6内部微裂纹发育情况，通过对比分析，定量研究开挖卸荷对竖井注浆帷幕的变形破坏特征和损伤劣化范围的影响。

显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本专利申请权利要求的保护范围之中。